瞬态电磁脉冲对单片机的辐照效应实验及加固方法

而干扰持续时间只有微秒量级,显然发生了异常操作。根据28C64的内部组成框图,很可能是干扰使内部锁存器将带有干扰的控制信号锁存了一段时间。在这段时间内,由于PC内容连续改写,从而使28C64内容成片地被改写。

3 ESD EMP的防护加固方法研究

静电放电电磁脉冲与电子系统的耦合途径主要有：前门（天线）耦合和后门（孔、缝）耦合。电磁脉冲通过前门或后门耦合进入电路,从而形成逻辑干扰或硬损伤。防护瞬变电磁场电子系统的损伤主要是控制电磁能量进入电子系统,概括起来为空域防护控制（屏蔽）、频域防护控制、时域防护控制和能域防护控制。本文对最常用的屏蔽法和旁路保持法进行了实验研究。

3.1 屏蔽

屏蔽是用导电或导磁体将被保护体包围起来,从而进行电磁性隔离的一种措施。对于辐射电磁脉冲场来说,屏蔽是非常效的一种防护方法。

本实验将单片机电路放入一个尺寸为140mm×280mm×120mm的铁制金属盒内,金属板厚度约为1mm。金属盒的一侧开有两个直径约18mm的圆孔,放置电源线和示波器探头线。实验环境为：温度31.0℃,湿谑62%。实验表明,如屏蔽后,干扰幅值衰减为原来的1/3。同时,还测出了加与不加屏蔽两种情况下部分效应的最小放电电压：不加屏蔽时,死机、重启动、控制状态改变的最小放电电压分别为4.8kV、4kV和2.6kV;加屏蔽后分别为14kV、12kV和7.6kV。由于温湿度的升高,不加屏蔽时测得的最小放电电压高于表1给出的结果,说明实验结果与环境有很大关系。因此,每次实验必须记录实验环境。

3.2 旁路保护

所谓旁路保护,是指在被保护的对象之前并联保护电路或器件,吸收电磁脉冲中的大部分能量,将被保护对象两端的电压控制在其能承受的范围内。常用的保护器件有：火花隙、气体放电管、压敏电阻（MOV）、瞬态抑制二极管（TVS）和电流型硅浪涌保护器件等。本实验对响应速度最快的TVS性能进行了研究。

TVS以响应速度快、瞬态功率大、漏电电流小著称,它能以10-12s量级的速率将两极的高阻抗变为低阻抗,吸收数千瓦的浪涌功率,使两极电压箝位于预定值[4]。在进行单片机加固实验时,在电路中的各敏感点与地之间并联TVS器件,收到了良好的效果。

在前面的典型故障原因分析中,提到RST脚上的干扰信号是产生重启动的原因之一。为,在RST和地之间并联一个型号为SA5.0A（箝位电压为5V,单向）的TVS。在实验室温度为31℃,湿度为53%时,侧得并联前后RST脚上的干扰信号波形如图3的所示。图3表明,并联TVS后,RST脚的干扰信号受到了明显衰减。同时还测出了并联前后出现重启动的最低放电电压分别为3.8kV和7.5kV。

为进一步证明引起重启动的第二种原因存在的可能性,将单片机的12MHz换为6MHz,此时,RST脚上需出现不小于4μs的高电平才能使单片机可靠复位,而RST上的干扰信号的持续时间达不到4μs,不足以使单片机复位。实验测得,工作频率为6MHz时,加装TVS后单片机发生重启动的最低放电电压基本不变,得启动是由CPU内部的复位信号线上的干扰信号所致。

ESD EMP对单片机系统的辐照效应实验表明,单片机系统在ESD EMP作用睛,会产生重启动、死机、通讯出错等多种故障现象。对单片机实施屏蔽和旁路保护等措施可有效提高其抗干扰能力。